JP4321567B2

JP4321567B2 - 筒内噴射式火花点火内燃機関

Info

Publication number: JP4321567B2
Application number: JP2006230830A
Authority: JP
Inventors: 剛芦澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-08-28
Filing date: 2006-08-28
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2026-08-28
Also published as: JP2008051075A

Description

本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。

気筒内に均質混合気を形成し、この均質混合気を圧縮行程末期の点火時期において着火燃焼させる均質燃焼において、気筒内へ供給された吸気により気筒内にタンブル流を形成し、このタンブル流を圧縮行程末期の点火時期まで持続させることにより、点火時期において気筒内にタンブル流による乱れを存在させれば、この乱れによって均質混合気の燃焼速度が高まり良好な均質燃焼を実現することができる。

タンブル流を圧縮行程末期の点火時期まで持続させるために、吸気ポート内に吸気流制御弁を配置し、この吸気流制御弁によって吸気を吸気ポート上壁に沿わせて気筒内へ供給することにより、気筒内に強いタンブル流を形成する筒内噴射式火花点火内燃機関が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１８０２４７

前述の筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気流制御弁により吸気を吸気ポート上壁に沿わせて気筒内に供給する時には、吸気流制御弁により吸気ポートが絞られることになる。それにより、必要吸気量が比較的少ない時においては、特に問題なく強いタンブル流を気筒内に形成することができるが、必要吸気量が比較的多くなる時においては、吸気流制御弁により吸気ポートを絞ると吸気不足が発生することがあるために、吸気流制御弁によって強いタンブル流を気筒内に形成することはできない。

このような吸気流制御弁を設けなくても、筒内噴射式火花点火内燃機関においては、燃料噴射方向を適当に選択して、吸気行程末期に貫徹力の強い燃料を噴射すればタンブル流を強めることができる。しかしながら、燃料噴射方向を適当に選択しただけでは、噴射燃料によりタンブル流を効率的に強めることはできない。

従って、本発明の目的は、燃料噴射弁により気筒内へ直接的に噴射される燃料によってタンブル流を効率的に強めることができる筒内噴射式火花点火内燃機関を提供することである。

本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、複数の噴孔を有し、前記複数の噴孔から互いに衝突させることなく気筒内の広範囲に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、前記燃料噴射弁の前記複数の噴孔は、タンブル流と平行な平面と略平行な方向に燃料を噴射する噴孔と、前記平面と交差する方向に燃料を噴射する噴孔とを含み、均質燃焼時に吸気下死点近傍において前記燃料噴射弁から噴射される燃料によりタンブル流を強める筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁の複数の噴孔から噴射されるうちのタンブル流と平行な平面と略平行な噴射方向を有する噴射燃料の貫徹力は、前記平面と交差する噴射方向を有する噴射燃料の貫徹力より大きくされることを特徴とする。

本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射期間の単位時間当たりの吸入空気量が多い時には前記燃料噴射期間の単位時間当たりの吸入空気量が少ない時に比較して前記燃料噴射弁から噴射される燃料の貫徹力を大きくすることを特徴とする。
本発明による請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁は、気筒上部略中心に配置され、シリンダボアの排気弁側へ向けて斜め下方向に燃料を噴射することを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、燃料噴射弁の複数の噴孔は、タンブル流と平行な平面と略平行な方向に燃料を噴射する噴孔と、この平面と交差する方向に燃料を噴射する噴孔とを含み、燃料噴射弁の複数の噴孔から噴射されるうちのタンブル流と平行な平面と略平行な噴射方向を有する噴射燃料は、この平面と明らかに交差する噴射方向を有する噴射燃料より効果的にタンブル流を強めることができるために、平面と略平行な噴射方向を有する噴射燃料の貫徹力が平面と交差する噴射方向を有する噴射燃料の貫徹力より大きくされることにより、全体的な燃料噴射量を増加させることなく、効率的にタンブル流を強めることができる。また、複数の噴孔から互いに衝突させることなく気筒内の広範囲に複数方向に噴射される燃料は、気筒内全体に燃料を分散させ易く、良好な均質混合気を形成するのに有利である。

本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射期間の単位時間当たりの吸入空気量が多い時には燃料噴射期間の単位時間当たりの吸入空気量が少ない時に比較して燃料噴射弁から噴射される燃料の貫徹力を大きくするようになっているために、単位時間当たりの吸入空気量が多い時には噴射燃料の貫徹力が大きく、単位時間当たりの吸入空気量が少ない時には噴射燃料の貫徹力が小さくされ、噴射燃料がタンブル流を突き抜けて噴射燃料のエネルギの多くがタンブル流を強めるのに利用されないことが抑制され、全体的な燃料噴射量を増加させることなく、効率的にタンブル流を強めることができる。

図１は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す概略縦断面図であり、均質燃焼のための燃料噴射時期である吸気下死点近傍を示している。同図において、１は気筒上部略中心に配置されて気筒内へ直接的に燃料を噴射するための燃料噴射弁であり、２は燃料噴射弁１の吸気弁側近傍に配置された点火プラグである。図２は図１の気筒内をピストン側から見た図であり、図２に示すように、図１における気筒上部の右側には一対の吸気弁３が配置されており、左側には一対の排気弁４が配置されている。５はピストンである。

本実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関は、燃料噴射弁１により吸気下死点近傍（例えば、燃料噴射終了クランク角度を吸気下死点近傍とするように燃料噴射量に応じて燃料噴射開始クランク角度を設定するか、又は、燃料噴射量に関係なく吸気行程後半に燃料噴射開始クランク角度を設定する）に気筒内へ直接的に燃料を噴射することにより、圧縮行程末期の点火時期には気筒内に均質混合気を形成し、この均質混合気を火花点火させて均質燃焼を実施する。

燃料噴射弁１は複数の噴孔を有し、各噴孔から噴射される燃料Ｆ１、Ｆ２、及びＦ３は、図１に示すように、斜め下方向にシリンダボアの排気弁側（好ましくは、吸気下死点近傍におけるシリンダボアの排気弁側下部）へ向けて噴射される。燃料噴射弁１から噴射される燃料Ｆ１、Ｆ２、及びＦ３の貫徹力は、燃料噴射開始から１ｍｓ後の燃料先端が６０ｍｍ以上に達するように設定される。

このように強い貫徹力の燃料Ｆ１、Ｆ２、及びＦ３が気筒上部略中心からシリンダボアの排気弁側へ向けて斜め下方向に噴射されると、気筒内の排気弁側を下降して吸気弁側を上昇するように気筒内に形成されたタンブル流Ｔを燃料の貫徹力により強めることができる。こうして強められたタンブル流Ｔは、圧縮行程後半まで確実に気筒内に持続し、圧縮行程末期の点火時期には気筒内に乱れを発生させるために、燃焼速度の速い良好な均質燃焼を実現することができる。

本発明を限定するものではないが、本実施形態において、燃料噴射弁１は、図１及び図２に示すように五つの噴孔を有している。各噴孔から噴射される五つの柱状噴射燃料は、タンブル流Ｔの旋回方向と平行な平面と略平行な噴射方向を有する噴射燃料Ｆ１と、タンブル流Ｔの旋回方向と平行な平面に明らかに交差する噴射方向を有する二つの噴射燃料Ｆ２と、タンブル流Ｔの旋回方向と平行な平面に明らかに交差する噴射方向を有する二つの噴射燃料Ｆ３とである。

二つの噴射燃料Ｆ２及び二つの噴射燃料Ｆ３は、それぞれ、平面視において、タンブル流Ｔの旋回方向に平行な気筒軸線を通る平面Ｐに対して対称な方向に噴射され、この平面Ｐに対する噴射方向の鋭角側の角度は、二つの噴射燃料Ｆ３より二つの噴射燃料Ｆ２の方が小さくなっている。二つの噴射燃料Ｆ３は、平面視において平面Ｐと略直交するように、すなわち、平面Ｐに直交する平面にほぼ沿って噴射される。本実施形態では、このように気筒内の比較的広範囲に燃料が噴射されるために、噴射燃料を気筒内全体に分散させ易く、良好な均質混合気を形成することができる。

燃料噴射弁１の噴孔数がさらに増加される場合には、平面視の燃料噴射方向を噴射燃料Ｆ３より排気弁４側とし、いずれの噴射燃料も、斜め下方向にシリンダボアの排気弁側（好ましくは、吸気下死点近傍におけるシリンダボアの排気弁側下部）へ向けて燃料が噴射されるようにして、全ての噴射燃料が気筒内の燃料噴射弁１より排気弁側へ噴射されるようにすることが好ましい。それにより、噴射燃料が燃料噴射弁１より吸気弁３側に配置された点火プラグ２を濡らすことはなく、点火時期においてアークを確実に発生させることができる。

ところで、こうして複数の方向に燃料が噴射される場合において、全ての噴射燃料がタンブル流Ｔを良好に強めることにはならず、タンブル流Ｔと平行な平面に略平行な噴射方向を有する噴射燃料Ｆ１が最もタンブル流Ｔを強めるのに寄与し、その他の噴射燃料は、噴射方向がタンブル流Ｔと平行な平面に対する平行程度が薄れるほど（平面視における噴射方向とタンブル流Ｔと平行な平面との鋭角側の交差角度が大きくなるほど）、タンブル流Ｔを強めるのに寄与しなくなり、タンブル流Ｔと平行な平面に直交する平面に沿う噴射方向を有する噴射燃料Ｆ３は、殆どタンブル流Ｔを強めるのに寄与しない。

それにより、本実施形態では、タンブル流Ｔを強めるのに最も寄与する噴射燃料Ｆ１の貫徹力をその他の噴射燃料Ｆ２及びＦ３の貫徹力より強くするようにし、その分、噴射燃料Ｆ２及びＦ３の貫徹力は弱くされ、燃料噴射量を増量することなく、効果的にタンブル流Ｔを強めるようにしている。また、タンブル流Ｔを強めるのに寄与する噴射燃料ほど貫徹力を強くすることが好ましく、噴射燃料Ｆ２の貫徹力は噴射燃料Ｆ３の貫徹力より強くされる。

図３は燃料噴射弁１の先端部の断面図であり、図４は弁体１ａを省略した図３のＡ−Ａ断面図である。燃料噴射弁１内には燃料通路１ｂが形成され、燃料通路１ｂ内には軸線方向に上下動可能な弁体１ａが配置されている。燃料通路１ｂの円錐形状先端部には、噴射燃料Ｆ１用の第一噴孔Ｈ１と、噴射燃料Ｆ２用の二つの第二噴孔Ｈ２と、噴射燃料Ｆ３用の二つの第三噴孔Ｈ３とが形成されている。弁体１ａのシール部１ｃが燃料通路１ｂの円錐形状先端部における各噴孔Ｈ１、Ｈ２、及びＨ３の上流側のシート部に当接すると、各噴孔からの燃料噴射は停止される。一方、弁体１ａをリフトさせてシール部１ｃがシート部から離間すると、燃料通路１ｂ内の高圧燃料が各噴孔Ｈ１、Ｈ２、及びＨ３を介して噴射される。

各噴孔Ｈ１、Ｈ２、及びＨ３の内側開口は、図４に示すように、中心軸線回りの同一半径上に形成される。第一噴孔Ｈ１の内側開口は第一設定角度ａ１の中心に位置し、第二噴孔Ｈ２の内側開口はそれぞれ第二設定角度ａ２の中心に位置し、第三噴孔Ｈ３の内側開口はそれぞれ第三設定角度ａ３の中心に位置している。ここで、第一設定角度ａ１と、第二設定角度の二倍と、第三設定角度の二倍との合計は３６０°となるように設定される。

単純には、燃料通路１ｂの円錐形状先端部における第一設定角度ａ１内の燃料が第一噴孔Ｈ１から噴射され、第二設定角度ａ２内の燃料が第二噴孔Ｈ２から噴射され、第三設定角度ａ３内の燃料が第三噴孔Ｈ３から噴射されると考えて良く、第一設定角度ａ１（例えば１８０°）を最も大きくすることにより、第一噴孔Ｈ１から噴射されてタンブル流Ｔを強めるのに最も寄与する噴射燃料Ｆ１の貫徹力をその他の噴射燃料Ｆ２及びＦ３の貫徹力より強くすることができる。

また、第二設定角度ａ２（例えば、６０°）を第三設定角度ａ３（例えば、３０°）より大きくすることにより、第二噴孔Ｈ２から噴射されてタンブル流Ｔを強めるのに寄与する噴射燃料Ｆ２の貫徹力を第三噴孔Ｈ３から噴射されてタンブル流Ｔを強めるのに殆ど寄与しない噴射燃料Ｆ３の貫徹力より強くすることができる。

こうして、気筒内全体に噴射燃料を分散させ易くするには必要であるが、タンブル流Ｔを強めるのには殆ど寄与しない噴射燃料Ｆ３の貫徹力は弱められ、それにより、噴射燃料Ｆ３がシリンダボアへ到達してエンジンオイルを希釈させるようなことはない。

本実施形態において、燃料噴射弁１は気筒上部略中心に配置したが、これは本発明を限定するものではなく、気筒上部周囲の二つの排気弁４の間、又は、気筒上部周囲の二つの吸気弁３の間に配置するようにしても良い。燃料噴射弁が気筒上部周囲の二つの排気弁４の間に配置される場合には、各噴射燃料は、タンブル流Ｔを強めるためにピストン頂面の排気弁側に向けて噴射されることが好ましい。また、燃料噴射弁が気筒上部周囲の二つの吸気弁３の間に配置される場合には、各噴射燃料は、タンブル流Ｔを強めるためにシリンダボアの排気弁側上部へ向けて噴射されることが好ましい。

いずれの場合にも、燃料噴射弁の複数の噴孔からは、タンブル流Ｔと平行な平面に略平行な噴射方向を有する燃料と、タンブル流Ｔと平行な平面に明らかに交差する噴射方向を有する燃料とが噴射されるようにして、前述同様に噴射燃料の貫徹力を異ならせれば良い。

ところで、気筒内に供給される単位時間当たりの吸入空気量（吸入空気重量）は、吸気弁開弁時から吸気弁閉弁時まで徐々に増加し、吸気弁閉弁直前が最も多くなる。それにより、吸気下死点近傍の燃料噴射期間において、気筒内に生成されるタンブル流Ｔは燃料噴射開始時期から燃料噴射終了時期まで徐々に強くなる。こうして、燃料噴射期間の後半は、前半に比較してタンブル流が強くなる。

気筒内に生成されているタンブル流が弱い時に貫徹力の強い燃料が噴射されても、噴射燃料は、タンブル流を突き抜けて噴射燃料のエネルギが十分にタンブル流を強めるのに利用されない。それにより、本実施形態では、図５に示すように、弁体１ａのリフト量を燃料噴射期間の前半Ｔ１では小さく後半Ｔ２では大きくするように制御している。弁体１ａのリフト量が大きくなるほど、弁体１ａのシール部１ｃと燃料通路１ｃのシート部との隙間が大きくなるために、この隙間を通過する際の燃料の抵抗が小さくなって各噴孔から噴射される燃料の貫徹力を強くすることができる。

それにより、単位時間当たりの吸入空気量が多くタンブル流が強い燃料噴射期間後半の各噴射燃料の貫徹力は、単位時間当たりの吸入空気量が少なくタンブル流が弱い燃料噴射期間前半の各噴射燃料の貫徹力より強くなり、噴射燃料がタンブル流Ｔを突き抜けることが抑制される。こうして、噴射燃料のエネルギが十分にタンブル流Ｔの強化に利用されると共に、噴射燃料がシリンダボアへ到達し難くなり、エンジンオイル希釈も抑制される。

機関回転数が高くなるほど、また、機関負荷が高くなるほど、必要燃料量が多くなるために燃料噴射時間が長くなる。このような燃料噴射時間に対して常に前半のリフト量を小さく後半のリフト量を大きくすれば良い。もちろん、弁体１ａのリフト量を大中小の三段階に変化させることができれば、燃料噴射期間の前期のリフト量を小とし、中期のリフト量を中とし、後期のリフト量を大とすれば良い。

また、必要燃料量の増加に伴って気筒内へ供給される吸気量も全体的に多くなり、タンブル流Ｔも全体的に強くなるために、少なくとも必要燃料量が設定範囲内である時には燃料噴射時間を一定として、必要燃料量が多くなるほど、燃料噴射時間前側のリフト量を小さくする時間Ｔ１を短くし、燃料噴射時間後側のリフト量を大きくする時間Ｔ２を長くするようにして燃料噴射量を多くすれば、全体的に強くなるタンブル流Ｔを確実に強めることができる。また、必要燃料量が少なくなるほど、燃料噴射時間前側のリフト量を小さくする時間Ｔ１を長くし、燃料噴射時間後側のリフト量を大きくする時間Ｔ２を短くするようにして燃料噴射量を少なくすれば、全体的に弱くなるタンブル流Ｔに対して噴射燃料の突き抜けを確実に抑制することができる。

このような弁体のリフト量の制御は、複数の噴孔を有する燃料噴射弁に限定されることはなく、燃料噴射弁は、単一噴孔から中実又は中空の円錐形状として燃料を噴射するものでも良い。また、燃料噴射弁は、スリット状噴孔から比較的厚さの薄い略扇形状とし燃料を噴射するものでも良い。また、燃料噴射弁は、円弧状スリット噴孔や複数の直線スリット噴孔の組み合わせにより、上側及び排気弁側を凸とする比較的厚さの薄い円弧状断面形状又は折れ線状断面形状として燃料を噴射するものでも良い。いずれにしても、噴射燃料が前述したような強い貫徹力を有して、気筒内のタンブル流Ｔを加速させるように噴射方向が選択されていれば良い。

本実施形態において、均質燃焼の空燃比は、理論空燃比よりリーンとされ（好ましくは、ＮＯ_Xの生成量が抑制されるリーン空燃比とされる）、燃料消費を抑制するようにしているために、燃焼が緩慢となり易く、前述のようにして燃焼速度を速めることは特に有効である。もちろん、均質燃焼の空燃比は、理論空燃比又はリッチ空燃比としても良く、この場合においても燃焼速度を速めることは有効である。

本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す概略縦断面図である。図１において気筒内をピストン側から見た図である。燃料噴射弁の先端部の概略断面図である。弁体が省略された図３のＡ−Ａ断面図である。燃料噴射期間における弁体リフトのタイムチャートである。

符号の説明

１燃料噴射弁
２点火プラグ
３吸気弁
４排気弁
５ピストン
Ｔタンブル流
Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３噴射燃料

Claims

複数の噴孔を有し、前記複数の噴孔から互いに衝突させることなく気筒内の広範囲に直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、前記燃料噴射弁の前記複数の噴孔は、タンブル流と平行な平面と略平行な方向に燃料を噴射する噴孔と、前記平面と交差する方向に燃料を噴射する噴孔とを含み、均質燃焼時に吸気下死点近傍において前記燃料噴射弁から噴射される燃料によりタンブル流を強める筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁の複数の噴孔から噴射されるうちのタンブル流と平行な平面と略平行な噴射方向を有する噴射燃料の貫徹力は、前記平面と交差する噴射方向を有する噴射燃料の貫徹力より大きくされることを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
燃料噴射期間の単位時間当たりの吸入空気量が多い時には前記燃料噴射期間の単位時間当たりの吸入空気量が少ない時に比較して前記燃料噴射弁から噴射される燃料の貫徹力を大きくすることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
前記燃料噴射弁は、気筒上部略中心に配置され、シリンダボアの排気弁側へ向けて斜め下方向に燃料を噴射することを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。